# FPGA平衡车

**Repository Path**: whpUp/fpga-balanced-vehicle

## Basic Information

- **Project Name**: FPGA平衡车
- **Description**: 使用FPGA实现的平衡小车
- **Primary Language**: Unknown
- **License**: Apache-2.0
- **Default Branch**: master
- **Homepage**: None
- **GVP Project**: No

## Statistics

- **Stars**: 10
- **Forks**: 2
- **Created**: 2023-11-19
- **Last Updated**: 2025-09-05

## Categories & Tags

**Categories**: Uncategorized

**Tags**: None

## README

# FPGA平衡小车

#### 一. 硬件介绍

底板资源:

1. TB6612电机驱动芯片 * 2

 	2. MPU6050陀螺仪
 	3. WS2812 RGB彩色灯 * 4
 	4. 红外接收头
 	5. ESP-01S WIFI

核心板

1. 微相 A7_Lite  Artix-7 FPGA开发板

电机采用的是平衡小车之家的MG310(GMR编码器)电机。底板上有两个TB6612芯片，可以驱动四个电机，除了做平衡小车之外，也可以用来作为四驱车的底板，非常nice，同时支持两种控制方式，推荐通过红外遥控进行控制，实现起来非常简单，红外遥控器也非常便宜。



## 二. RTL 介绍

本次设计分为三大部分: **MPU6050姿态解算 ， 电机驱动(PWM+编码器) , 平衡控制**，遥控器控制的模块另外算。其中MPU6050姿态解算为设计的核心，解算出来的角度越稳，平衡控制就越容易，小车也就越稳定。平衡控制其核心是调节PID的参数，参数调的好，小车没烦恼。

这里只对框架上做一个简单的介绍，具体的实现说明可以在我的微信公众号上获取: FPGA之旅

整体架构如下

![整体架构](https://gitee.com/whpUp/fpga-balanced-vehicle/raw/master/4.%20Image/整体架构.png)

##### 1. MPU6050姿态解算

模块数据流如下图所示，将获取到的角度进行一个8阶的FIR滤波，加速度进行一个2阶的IIR滤波，即可得到相对平滑一点的数据，然后经过Cordic算法进行姿态解算，即可得到roll和pitch角度，为了得到更加平滑一点的roll和pitch数据，这里将得到的角度再进行了一个1阶的均值滤波(本来使用的是3阶的均值滤波，但是相位延时有点大，所以修改为1阶的了)

![mpu6050](https://gitee.com/whpUp/fpga-balanced-vehicle/raw/master/4.%20Image/mpu6050.png)



##### 2. 电机驱动(PWM+编码器)

 框图如下，在实际使用的时候，只使用了速度的检测，角度检测这部分功能就去掉了，PWM生成模块另算，这部分的代码是比较简单的，就不作过多的说明了。

![编码器](https://gitee.com/whpUp/fpga-balanced-vehicle/raw/master/4.%20Image/编码器.png)

##### 3. 平衡控制

平衡车的控制采用三环: 直立环、速度环、转向环,来进行控制，直立环采用的是PID进行控制，速度环采用的是PI进行控制，而转向环由于yaw在MPU6050解算的时候，误差较大，所以没有使用PID来进行控制转向的速度，而是直接输出的两轮的速度差进行控制。框图如下，三环通过PID进行调节后，相加得到最终的PWM值进行输出。三5环的具体实现可以参考开源的平衡小车C语言实现，所以难点不在代码实现上，而在于PID的调参上面，没有经验且没有人指导的情况下，那简直是噩梦，如果长时间没有调好的话，容易怀疑是不是小车的结构有问题(但小车的结结构一般是没有问题的，哈哈哈)。

![平衡控制](https://gitee.com/whpUp/fpga-balanced-vehicle/raw/master/4.%20Image/平衡控制.png)

##### 4. 遥控控制

本来想使用低成本高效率的红外遥控来对小车进行控制的，但是出现了意外，接收到的红外遥控值不稳定，按同一个按键，接收到值居然不一样。没办法，还好弄了个esp-01S，可以通过tcp进行连接，之前弄四轴飞机的有程序，可以拿来直接使用，美滋滋。



## 三. 总结

FPGA平衡小车的基本架构就已经介绍完了，很多模块在都已经实现过，拿来通过简单的修改就可以直接用了，代码实现上还是比较轻松的，难点在于PID的调参上，也是花了非常多的时间。

项目开源gitee链接:  https://gitee.com/whpUp/fpga-balanced-vehicle/tree/master

演示视频： https://www.bilibili.com/video/BV19j411E7MA/?spm_id_from=333.999.0.0&vd_source=ff49aebe9f63248ee9e81ca05d813c39